阮紅麗 李光輝 周小波曾文明 盧珍 李玉玲

1.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設計院，四川成都

2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室，四川成都

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術重點實驗室，四川成都

0 引言

水肥一體化技術是一種高效的灌溉施肥技術，具有節(jié)水節(jié)肥、省時省工等優(yōu)點，但該技術在茶產(chǎn)業(yè)中應用較少。在水肥一體化灌溉施肥裝置（以下簡稱“裝置”）中，其核心是吸肥部件，可根據(jù)作物生長需求確定最佳的肥液混合比例，實現(xiàn)多通道水肥混合。目前，裝置大多存在吸肥精度不易控制的問題。針對這個問題，本文研究設計了一種精度較高的裝置。

1 總體設計

在茶園灌溉、施肥制度分析計算的基礎上，對裝置進行了試制及試驗。該裝置通過確定最佳的肥液混合比例，調節(jié)吸肥腔與進水腔的體積比，將適宜于提高茶葉品質適量的肥料，均勻添加到水中，實現(xiàn)水和肥的精確配比。裝置組成框圖如圖1所示。

2 茶園灌溉制度

2.1 設計基本參數(shù)

以四川茶葉典型主產(chǎn)區(qū)成齡茶樹確定設計基本參數(shù)，詳見表1。

2.2 灌溉制度

根據(jù)滴灌灌水器參數(shù)，進行土壤濕潤比的分析計算，確定滴灌灌溉制度。茶樹按照生長時期可分為春季、夏季、秋季和冬季4個時期，根據(jù)土壤容重、成齡茶樹土壤計劃濕潤土層深度、設計土壤濕潤比、適宜茶樹生長的土壤含水率上限和下限分別計算茶樹各時期的灌水定額，進而計算灌水周期、一次灌水延續(xù)時間、灌溉次數(shù)等[1～2]參數(shù)。灌溉制度詳見表2。

圖 1 裝置組成框圖

表1 基本參數(shù)表

表 2 茶園灌溉制度表

3 茶園施肥制度

3.1 茶園施肥制度

茶園施肥主要分為基肥、追肥和根外追肥。本文只考慮在追肥階段使用本裝置進行施肥，主要施用氮肥。

追肥量根據(jù)茶園目標產(chǎn)量所需純氮量、氮肥中純氮含量及氮肥利用率等計算，茶園目標產(chǎn)量為每公頃產(chǎn)鮮葉6000kg，每公頃施用純氮150kg，結合當?shù)刈贩式?jīng)驗，本裝置考慮追肥施用尿素（N46%），肥料利用率為54%，根據(jù)尿素每公頃年施量計算得出尿素每公頃年施約600kg，追肥全年3次，施肥量比例為50%、30%、20%。春季追肥在越冬芽萌動時施用，每公頃施用300kg尿素；夏季追肥在春茶采摘結束，茶樹輕修剪后立即進行，每公頃施用180kg尿素；秋季追肥在夏茶結束后進行，秋肥要避開“伏旱”進行，每公頃施用120kg尿素。

3.2 裝置施肥制度

通過對茶樹肥料需求量分析，計算每次施肥作業(yè)中的施肥量，按照茶園灌溉對滴灌施肥時間的分配要求[3]，確定施肥時間以及吸肥部件施肥比例，實現(xiàn)從灌溉、灌溉施肥和沖刷管網(wǎng)的灌溉施肥作業(yè)。

3.2.1 施肥時間

施肥過程是伴隨灌溉同時進行的，根據(jù)四川省內水肥一體化滴灌施用經(jīng)驗，施肥操作在灌溉進行30min后開始，并確保在灌溉結束前30min以上的時間內結束[4]。因此施肥時間比灌

3.2.2 吸肥部件吸肥比例

根據(jù)單位時間內吸肥部件從肥料桶吸入的肥液質量與進口清水質量之比計算得出。施肥罐中肥料與水體積比為1∶4。裝置施肥制度詳見表3。

表 3 裝置施肥制度

4 裝置樣機及精度試驗

4.1 裝置樣機

在分析四川省茶園水肥的需求和特點的基礎上，通過多方案分析、比較及結構優(yōu)化改進，搭建了一套由水泵、吸肥部件以及控制系統(tǒng)等組成的茶園水肥一體化灌溉施肥裝置。裝置結構示意如圖2所示。

圖 2 裝置結構示意圖

4.1.1 水泵

1）流量。在前述確定的灌溉制度基礎上，根據(jù)灌溉區(qū)域布置、毛管長度、布置間距、主管允許同時工作的滴頭數(shù)量、滴頭流量，計算得出水泵流量。

2）揚程。根據(jù)管道長度、管徑、流速依次計算管道沿程水頭損失、局部水頭損失，根據(jù)凈揚程、滴頭工作壓力等得出水泵揚程。

3）水泵選型。根據(jù)流量、揚程進行水泵選型。詳見表4。

4.1.2 吸肥部件

吸肥部件通過外部比例套筒調節(jié)吸肥腔的有效工作長度，從而實現(xiàn)調節(jié)吸肥腔的體積比的目的，將適宜于提高茶葉品質適量的肥料，均勻地添加到水中，實現(xiàn)水和肥的精確配比，從而提高了吸肥部件的精度。

吸肥部件靠水力驅動，進行了最佳的肥液混合比設定后，進水管路的水流進入吸肥部件的進水腔，驅動吸肥部件吸取肥液，然后在壓差的作用下，驅動活塞向上移動，碰到聯(lián)動換向裝置，進水腔的水就全部進入出口腔；下面的吸肥腔設置有限位裝置，當?shù)竭_限位裝置時，通過小孔將肥料全部擠入出口腔，實現(xiàn)吸肥的功能[5-7]。參數(shù)詳見表5，結構示意圖詳見圖3。

表 4 水泵參數(shù)表

表5 吸肥部件參數(shù)表

圖 3 吸肥部件結構示意圖

4.1.3 配套設備

配套設備（系統(tǒng)）表詳見表6。

4.2 精度試驗

4.2.1 試驗目的

在水肥一體化的前提下，明確吸肥部件施肥精度，對實現(xiàn)精準灌溉施肥、保證最佳肥水比進行有益的探索。

4.2.2 試驗器材

本裝置、1#電子臺秤（30kg）、2#電子臺秤（75kg）、肥料桶（塑料；16L）、肥液桶（塑料；60L）、秒表。

4.2.3 試驗主要步驟

本試驗以4%吸肥比例為設定值開展試驗，時間30s。

1）將裝置與進、出水管相連。

2）將吸肥部件的吸肥管道放入肥料桶，肥料桶放置在1#電子臺秤上、肥液桶放置在2#電子臺秤上。

3）啟動水泵，待流量穩(wěn)定后，開始計時，將管道出口中的肥液接入肥液桶中，同時記錄下肥料桶、肥液桶的初始質。

4）30s時間結束時，關閉水泵，記錄肥料桶、肥液桶的最終質量，并記錄相關數(shù)據(jù)。

5）管道沖洗干凈后重復試驗。

4.2.4 試驗分析

肥液桶肥液質量為30 s內肥液桶最終質量與初始質量之差，肥料桶吸入肥液質量為30 s內肥料桶初始質量與最終質量之差，進口清水質量為肥液桶肥液質量與肥料桶吸入肥液質量之差，混合比為肥料桶吸入肥液質量與進口清水質量之比。依次計算結果如表7所示。

4.2.5 試驗結論

本試驗以4%吸肥比例為設定值開展試驗，按照1.80m3/h、1.60m3/h、1.00m3/h三個流量運行，施肥精度分別為1.00%、1.75%、0.75%，符合要求。

5 結語

本文通過分析計算茶樹水肥需求量，為裝置水肥施用制度的確定奠定了基礎。吸肥部件能實現(xiàn)水和肥的精確配比，從而提高了整個裝置的精度。該裝置具有良好的人機交互界面，便于參數(shù)設定和讀??；同時構建了手機控制與現(xiàn)場控制的控制方式，實現(xiàn)遠程操作、監(jiān)測和管理。該裝置移動方便、操作簡便、能顯著降低勞動強度。

表 6 配套設備（系統(tǒng)）表

表 7 試驗數(shù)據(jù)分析結果表